[发明专利]一种多层铁路路基结构安定性分析的三维有限元计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及铁路工程计算机辅助设计技术领域，特别涉及一种多层铁路路基结构安定性分析的三维有限元计算方法。

背景技术

铁路具有速度快，运输量大等特点，因此铁路运输在现代运输中所占的比例越来越高。当前，铁路路面分析方法和设计理论大多数都是以弹性理论和经验方法为基础。而实际上，在车辆荷载作用下，路面结构主要表现为塑性变形。这就使以弹性理论为基础的铁路路面材料的强度和变形特性得不到正确的反映。因此，采用更加合理的弹塑性理论方法分析和考虑铁路在移动循环荷载作用下的变形破坏特征是目前铁路研究的一个重要方向。

安定理论是考虑弹塑性结果在循环荷载作用下变形和破坏特性的一个基本理论，它最早被应用于金属体在荷载和温度场共同作用下的塑性变形特性研究领域。将安定理论引入到路面结构的研究中已经取得了显著的成果。然而，由于计算路面结构在移动作用下的自平衡残余应力场的复杂性，目前尚没有具体的表达形式，对将安定性分析理论应用于铁路路面结构的分析与设计起到了限制性作用。利用ABAQUS有限元软件可以给出结构在赫兹荷载作用下的弹性应力场以及塑性应力场的分布，通过将所得结果代入服从一定屈服准则的静力(下限)安定定理中，可以得到结构的安定极限，对安定理论应用于铁路路面设计研究产生了积极的推动作用。

发明内容

发明目的：本发明针对现有研究的不足，提供了一种多层铁路路基结构安定性分析的三维有限元计算方法。

技术方案：本发明提供了一种多层铁路路基结构安定性分析的三维有限元计算方法，其特征在于，该方法将服从Von-Mises或Mohr-Coulomb屈服准则的安定下限定理的解析方法与有限元模拟相结合，得到多层铁路路基结构的安定极限值。具体包括以下步骤：

(1)结构简化：根据铁路路面路基结构设计施工的CAD图纸，忽略对结构影响较小的构件，把铁路路面-路基结构简化为由轨道、轨下垫板、轨枕、基床表层、基床底层和路堤组成的简化结构，并提取这些结构的几何参数和各种材料的材料参数；

(2)建立有限元模型：根据已提取的轨道、轨下垫板、轨枕、基床表层、基床底层和路堤的厚度，长度和宽度等几何尺寸建立包含轨道、轨下垫板、轨枕、基床表层、基床底层和路堤的完整的三维有限元模型。为充分考虑结构的边界条件，减小所施加的荷载对计算结构的影响，铁路路基结构模拟为半径为2r的半无限空间结构，并将外层厚度为r的路基结构模拟为无限元单元。

(3)赋予材料参数和单元属性：轨道和轨枕采用Von-Mises屈服准则，基床表层、基床底层和路堤采用Mohr-Coulomb屈服准则，轨下垫板采用具有一定刚度系数k_p和阻尼系数c_p的弹簧/阻尼单元，并输入由(1)所得的材料参数。轨道、轨枕和模型中心区域的基床表层、基床底层、路堤采用8节点1次减缩实体单元(C3D8R)模拟，外层区域的基床表层、基床底层、路堤采用三维无限元实体单元(CIN3D8)模拟。网格划分前应以划分均匀合格的有限元网格为准则对几何模型进行整理，并进行网格尺寸敏感性分析，以确定同时满足计算精度和计算效率的最优网格划分方式。

(4)设置所建立模型的边界条件：根据铁路路面实际情况，约束轨道、轨枕、基床表层、基床底层和路堤的水平位移，模型的底部进行固定约束(采用无限单元模拟的区域无需定义边界条件)。

(5)施加外荷载：将列车轮轨之间的作用力简化为三维Hertz荷载，并采用用户子程序DLOAD将Hertz荷载施加于轨道表面。

(6)求解铁路路面安定极限系数λ_sd：通过编写UVARM子程序设置输出轨道和轨枕结构的值以及基床表层、基床底层、路堤结构的分别取其最大值代入服从Von-Mises和Mohr-Coulomb屈服准则的安定下限公式中，可得到各层结构的安定极限，其中的最小值即为多层铁路路基结构的安定极限。